ФИЗИКА/ 2.Физика твердого тела.

Захарченко Р.В., Захарченко В.Н.

Національний технічний університет України «КПІ», Україна

Електричні властивості СВС ZnS полікристалів

СВС ZnS. Для отримання експериментальних зразків ми використали методику самопоширюваного високотемпературного синтезу (СВС) [1]. СВС базується на екзотермічній взаємодії компонентів стехіометричної порошкоподібної суміші в посудині високого тиску [2]. Дана методика дозволяє в реальному виробничому циклі зменшити витрати на отримання одиниці продукту в сотні разів у порівнянні з традиційними досить енергоємними методами вирощування [3]. Завдяки вдалому поєднанню оптичних та механічних властивостей полікристалічний ZnS має широке розповсюдження в оптичному приладобудуванні. Оскільки сульфід цинку використовується в якості оптичного матеріалу, то вивчення електричних властивостей матеріалу також представляє значний інтерес.

Дослідження високочастотної електропровідності СВС ZnS. При компенсації та самокомпенсації дефектів зразки ZnS, отримані традиційними методами, є високоомними (питомий опір ) та мають яскраво виражену монополярну провідність електронного типу [4]. З попередніх досліджень з’ясувалось, що електропровідність СВС-зразків при постійному струмі майже відсутня (ρ більше ніж ). В зв’язку з цим було здійснено намір знайти високочастотну електропровідність спочатку по втратам, що вносяться СВС-зразками в коливальний контур, а пізніше – за допомогою високочастотного вимірювального мосту Е7-12. На рис. 1 зображено результати вимірів добротності коливального контура при внесенні СВС-зразків всередину конденсатора контура (зразок практично заповнював внутрішній об’єм конденсатора). Величина добротності контура без зразка ; як видно з рис. 1, в дослідженому інтервалі частот середня величина зміни добротності складає величину приблизно рівну 4, але із зростанням частоти зростає.

Щоб оцінити величину питомого опору ρ скористаємось виразом

Підстановка в рівняння (1) наведених вище значень Q та дає для значення питомого опору . СВС-зразки ZnS мають помітну високочастотну електропровідність, яка зростає із ростом частоти (з рис. 1 видно, що при збільшенні частоти від 160 до 200 МГц величина ρ зменшується приблизно втричі), що вказує на стрибковий механізм провідності [5], або на наявність в зразках проводящих включень, розділених ізолюючими проміжками.

На рис. 2 зображено графік залежності високочастотної провідності σ від частоти ν, а рис. 3 показує результати вивчення розподілу електропровідності, тангенса кута діелектричних втрат tgδ та діелектричної проникності ε в залежності від відстані r до осі зливка. Виміри розподілу електропровідності проводились за допомогою мосту Е7-12 вздовж радіусу злитка на зразках, вирізаних перпендикулярно до осі злитка. Видно, що електропровідність (порядок величини ) зменшується з відстанню від осі злитка. Діелектричні втрати, розраховані за формулою (2) також зменшуються із зростанням радіуса

На тому ж рисунку спостерігається, як і в двох попередніх випадках, зменшення діелектричної проникності ε із ростом радіусу r. Всі отримані результати вказують на те, що в кераміці отриманій таким чином [2] напівпровідникові кристаліти оточені матеріалом з властивостями ізолятора. Цей міжкристалічний матеріал має менше значення ε ніж кристаліти (тому ε спадає із зростанням r, хоча і не так різко як електропровідність). Залежності tgδ від r та електропровідності схожі. Все це і пояснює майже нульову провідність зразків на постійному струмі та характер залежностей інших електричних параметрів.

Мікрокристали, орієнтовані вздовж радіусу мають більшу густину біля осі, ніж на периферії зразку. Це спричинює зменшення провідності вздовж радіусу. Діелектричні властивості зразка визначаються фракційною часткою діелектрика в його об’ємі, яка зі збільшенням радіусу зростає, що і пояснює менші значення величини ε.

Висновки. Сульфід цинку ZnS, виготовлений за допомогою технології СВС, складається із мікрокристалів, головним чином гексагональних з розміром в межах , які мають переважно довгасту форму, а інколи формуються в сферичні агломерати (скупчення) [2]. Напівпровідникові мікрокристали розділені ізолюючими прошарками сірки. І, як результат, провідність матеріалу дорівнює нулю при постійній напрузі, і помітно зростає із збільшенням частоти напруги, прикладеної до зразка. Характерно, що зразки сульфіду цинку ZnS, виготовлені за методикою СВС, мають неоднорідні, анізотропні електричні властивості.

Ці мікрокристали за своїми фізичними властивостями є напівпровідниками, а оточуюча їх речовина – ізолятор. Тому матеріал має просторові неоднорідності та анізотропну електричну провідність і діелектричну сталу, значення якої зростає з частотою. Вищезгадане розміщення кристалів досягається в процесі охолодження системи, як наслідок різних температур затвердіння ZnS і надлишкової S та динамічної взаємодії кристалів в газовому та рідкому оточенні. Основна частина отриманих кристалів не є деформованою, і, в загальному випадку, їх характеристики не сильно відрізняються від матеріалів отриманих традиційними методами. Таким чином, методику СВС можна запропонувати як недорогу та швидку технологію виготовлення напівпровідникових мікрокристалів ZnS гарної якості.

Література:

1. Мержанов А. Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез / А.Г. Мержанов // Физическая химия. Современные проблемы. – М.: Химия, 1983. – С. 48 – 56.

2. Захарченко Р. В. Отримання полікристалічного ZnS методом самопоширюваного високотемпературного синтезу / Р.В. Захарченко, В.Н. Захарченко // Materiały XІ Międzynarodowej Naukowi-Praktycznej Konferencji «Naukowa przestrzeń Europy – 2015», 07-15 kwietnia 2015. Fizyka. Fizyka ciała stałego. – 2015. - Przemyśl, Polska. - Vol. 25. - P. 94-98.

3. Морозова Н. К. Сульфид цинка, получение и оптические свойства / Н.К. Морозова, В.А. Кузнецов. - М.: Наука, 1987.

4. Мотт, Н. Электронные процессы в некристаллических веществах [Текст] / Н. Мотт, Э. Дэвис. – М.: Мир, 1974. – 477 с.

5. Irwin, J. C. Critical point analysis of cubic ZnS [Текст] / J. C. Irwin // Canad. J. Phys., - 1970. – Vol. 44. – Р. 2477-2480.